[发明专利]用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻具钻进性能测试装置。

背景技术

深层采样装置是深空星球着陆探测采样的重要装备。因为钻进式深层采样对不同星球土壤适应性强，采集较深层土壤样品需要的功耗比插入式和铲挖式采样低，所以目前国外已成功应用的星球土壤深层采样装置均采用钻进式设计。又由于深空星球特殊土壤性质，低重力环境，复杂地质环境等因素的限制，星球采样装置要区别于地球上用于地质勘探的普通采样装置，钻具在采集星球土壤过程中的力学特性对深层采样装置的钻进规程制定和钻具参数设计有着重要影响。因此，需要相应的测试装置首先在地球的模拟环境下，对钻杆在模拟土壤中运动时的力学特性进行测试和分析，据此对钻杆在星球土壤中运动时的力学特性进行预测和评估，以保证钻杆的参数设计和钻进规程的制定能满足深层采样装置在未来深空环境下的工作要求。

目前已公开的文献资料中涉及的该类测试装置都是针对地球环境的地质勘探或是星球表层采样，无法实现模拟星球深层采样功能，完成不了对模拟星球土壤环境下深层土壤钻进参数和机械动力结构研究；另外，钻进规程的制定范围受其功能全面性的限制。因此在测试对象适应性和测试功能上都有待进一步增强。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，以解决目前用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置无法实现模拟星球深层采样功能，完成不了对模拟星球土壤环境下深层土壤钻进参数和机械动力结构研究及钻进规程的制定范围受其功能全面性的限制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述装置包括模拟星壤桶、钻杆、角度可调移动框架、移动平台、冲击驱动机构、进尺驱动机构、回转驱动机构、钻杆支承座、钻进角度调整机构、测试台架和两条直线导轨，冲击驱动机构包括第三码盘、冲击电机、冲击减速器、冲击小齿轮、冲击大齿轮、冲击凸轮、冲击驱动壳体、凸轮滚子、弹簧、弹簧连接块和重锤，进尺驱动机构包括第一码盘、进尺电机、进尺减速器、联动轴、两个下链轮、两条链条、两个下拉力传感器、两个上拉力传感器和两个上链轮，回转驱动机构包括钻杆接口管、回转大齿轮、回转驱动壳体、第二码盘、回转电机、回转减速器、上联轴器、扭矩传感器、下联轴器和回转小齿轮，模拟星壤桶设在角度可调移动框架的下方，角度可调移动框架通过钻进角度调整机构与测试台架连接，角度可调移动框架上平行设置两条直线导轨，移动平台通过两条直线导轨与角度可调移动框架滑动连接；

进尺电机的末端连接第一码盘，进尺电机的输出端与进尺减速器的输入端传动连接，进尺减速器固装在角度可调移动框架上，进尺减速器的输出端与联动轴的一端传动连接，联动轴固装在角度可调移动框架上，联动轴上装有两个上链轮，两个下链轮固装在角度可调移动框架上，每个上链轮通过链条与相对应的下链轮连接，每个链条上串联上拉力传感器和下拉力传感器，两个上拉力传感器与两个下拉力传感器均与移动平台固接；

回转电机的后端上装有第二码盘，回转电机的输出端与回转减速器的输入端传动连接，回转减速器固装在回转驱动壳体上，回转减速器的输出轴与上联轴器的一端传动连接，上联轴器的另一端与扭矩传感器的输入轴传动连接；扭矩传感器的壳体固装在回转驱动壳体上，扭矩传感器的输出端与下联轴器的一端传动连接，下联轴器的另一端与回转小齿轮固接，回转小齿轮支承在回转驱动壳体上，回转小齿轮与固装在钻杆接口管上的回转大齿轮啮合，钻杆接口管固装在移动平台上，钻杆的一端穿过回转大齿轮设在钻杆接口管内且二者螺纹连接，钻杆的另一端穿过钻杆支承座设在模拟星壤桶的上方，钻杆支承座固装在角度可调移动框架上；

冲击电机的后端连接第三码盘，冲击电机的输出端与冲击减速器输入端传动连接，冲击减速器固装在冲击驱动壳体上，冲击驱动壳体固装在移动平台上，冲击减速器的输出端上装有冲击小齿轮，冲击小齿轮与冲击大齿轮啮合；冲击大齿轮与冲击凸轮固接且装在冲击驱动壳体内，凸轮滚子与冲击凸轮的轮廓面贴合且装在弹簧连接块的顶端，冲击弹簧装在固定件冲击驱动壳体和可动件弹簧连接块之间，冲击驱动壳体固装在移动平台上，弹簧连接块的底端固装重锤，重锤对应设在钻杆接口管的顶端的上方。

本发明具有以下有益效果：1、本发明的钻具可实现回转模式、回转冲击模式、冲击回转模式、冲击模式等多种模式钻进，并能够在多模式间自由切换实现土壤深层钻进，钻进深度可达2.5m；2、可以改变钻进角度、钻进速度、回转转速、冲击频率，制定功能覆盖面较宽的钻进规程；3、能够测试不同构型的钻具在不同钻进规程下钻进至不同深度的回转力矩、钻压力，回转速率、进尺速率、冲击频率以及钻进效率和功率。

附图说明